電磁流量計中降噪方式的分析

1引言
電磁流量計是上世紀60年代隨著電子技術的發展而迅速發展起來的新型流量測量儀表。它是根據法拉第電磁感應定律制成，用來測量導電流體的體積流量。由于其*的優點，目前已被廣泛地應用于工業上各種導電液體的測量。例如：測量各種酸、堿、鹽等腐蝕性液體；各種易燃、易爆、有毒介質；各種工業污水、紙漿、泥漿等。1.1電磁流量計的工作原理根據法拉第電磁感應定律，導電液體在磁場內流動將產生感應電動勢。導電流體流過傳感器工作磁場時，在測量管壁與流動方向和磁場方向相互垂直方向的一對電極間，產生與體積流量成比例的電動勢。流量的大小可表示如下：jiDE   T, E   T,    jiD /■-,、、式中E—―感應信號電勢，V;k——常數；B——磁感應強度，TD——測量管內徑，rm
 v——測量管內電極斷面軸線方向平均流速，m/s。1.2電磁流量計測量的基本條件
 需要說明的是，要使（1)式嚴格成立，必須使測量條件滿足下列假設：
磁場是均勻分布的恒定磁場；
被測流體的流速軸對稱分布；
被測流體是非磁性的；
 @被測流體的導電率均勻且各向同性。1.3電磁流量計的組成部分
 從整體結構而言，電磁流量計由兩大部件構成，即傳感器、轉換器。當然，其中間環節也必然存在著不同的信號處理器件。傳感器安裝在工業過程管道上，它的作用是將流進管道內的液體體積流量值線性地變換成為感應電動勢信號，并通過傳輸線將此信號送到轉換器。轉換器安裝在離傳感器不太遠的部位，它將傳遞過來的信號進行除雜、濾波、放大等環節， 轉換成標準信號輸出，并給予顯示、存儲、傳遞等過程。2傳感器采用的不同勵磁方式
 勵磁方式即產生磁場的方式，由1.2中內容可知，（1)式必須滿足的條件之一就是需要一個均勻恒定的磁場。為此，就需要一種合適的磁場。當前，在工業生產中主要有五種勵磁方式。
 在傳感器的工作過程當中，磁場的選擇對實驗結果電動勢的準確性有極大的影響，是數據采集的步，所以合適的勵磁方式對電磁流量計的工作效果有很大的作用?，F在將這幾種勵磁方式做一比較，如圖1所示。
圖1 五種勵磁方式的特征
 從上圖可以看出，各種勵磁方式都各有優缺點，在實際的運用中，根據待測的流體介質，具體選擇合適的方式。但是， 目前電磁流量計大都使用雙頻矩形波勵磁，也出現了計算機可編程的頻率或脈寬等新的勵磁方式，通過采用單片機及外圍電路，可以取得我們所需要的磁場信號。3電磁流量計的干擾問題
電磁流量計的干擾問題主要是隨著各種勵磁方式產生的。這些干擾信號與有用的流量信號混雜在一起，不僅成分復雜， 而且常常會比流量信號大。通常，當流體在1m/s時，其感應電
動勢僅為lmv左右，而干擾信號在嚴重時可以達到幾十mv。對于50HZ的工頻信號而言，其感應電動勢為
E = BVD +      + ^Sr + ec+ e<,+ ez (2) at at(2)式中，項為流速信號，后五項為干擾信號（正交干擾、同相干擾、零均值噪聲、共模噪聲、微分噪聲）。在其中，正交干擾為主要的噪聲信號。它有三個特點：
與流量無關，即使流體靜止不動；
與流量信號在相位上差90°;
 勵磁頻率越高，正交干擾也越嚴重。4對正交干擾的降噪方法
 為了使得智能電磁流量計中轉換器得到準確的流量信號，就必須對正交干擾信號進行大的降噪。而對于正交干擾信號的降噪，同樣有著不同的處理手段。主要有以下三種： 4.1傳統工頻勵磁的去噪方式
 工業電磁流量計的磁場都是由電流激勵線圈產生的，交流勵磁感應強度可以表示為B = kIssin wt (3)在傳感器的工作當中，存在著正交干擾信號，在（2)式中就可以發現，干擾電動勢「     dB   diKLsinwt)   T,T ： "、_bN = —r- = ； = K丄swcos wt (4)at at
所以我們就會發現，在實際的信號中（假設干擾信號只有正交干擾信號)E = BVD + EN = KIsVDsin wt + KIswcos wt (5) „ _v E _VKI,VDsinwt+KLwcoswt=KVD + Kwctgwt (6)
 在降噪過程中，就必須先去除掉噪聲Kwctgwt。為此，我們采取補償措施，例如：在主放大器的反饋網絡上設置正交干擾抑制器，去除輸出信號中的正交干擾信號，深度負反饋到輸入端，與干擾信號相減，即得到了較干凈的流量信號。4.2雙頻率降噪法
 在勵磁方式中，我們可以選擇兩種高低不同的頻率磁場， 綜合二者的優點，低頻勵磁分量有著的零點穩定性，而高頻則具有高速的反應能力，可以有效的降低正交干擾信號。
 其工作原理是，一個由高低頻分量疊加而成的電磁場通過勵磁線圈被施加到被測流體當中，得到的磁場就是高低頻磁場復合而成的磁場。在產生的電動勢中，低頻分量通過一個大時間常數的積分電路獲得一個零穩定性好的平穩流量信號。而由流體所產生的低頻噪音可被不受噪音影響的高頻采樣電路所抑制，有著同樣時間常數的流量信號經過一個差分電路以確定流速信號的變化，二者合成即可獲得定的信號。4.3 "變壓器調零"法降噪除了上述兩種方法之外，還有一種降噪處理方法，是讓引出線組成的閉合回路在磁場相交處所形成的電動勢為零，即制取一個與正交干擾信號相反的信號，并與之相消。其電路連接圖如圖（2)所示。
 該電路連接圖如上圖所示。在線路中，形成了兩個閉合回路I和II。在閉合回路I中產生的感生電動勢ei和閉合回路II中產生的感生電動勢e各自形成電流ii和k，并經過電位器的調節端加到轉換器凡上，這兩個電流方向是相反的，所以當流體速度為零時，調節電位器&，可以使得閉合回路中的h 和i2大小相等。因此，經過凡上的電流h和i2就可以相互抵消， 從而抑制正交干擾。4.4比較三種降噪方法
 在上述內容中，我們分別介紹了傳統工頻勵磁的去噪方式、雙頻率降噪法、"變壓器調零"法降噪三種正交干擾的降噪方式，雖然在理論上是*可行的，但是在實際的生產工作當中，卻是有著不同程度的缺陷。
 傳統工頻勵磁的去噪方式，系統設置較為復雜，且通常使用由霍爾元件組成的乘法器，可能帶來由于溫度變化而引起的誤差;雙頻率降噪法，在正交干擾量較小的情況下可以采用， 對于較大的干擾量處理效果則不佳;"變壓器調零"法降噪，理論上可*去除干擾噪聲，但是其制造工藝非常復雜、困難。5結論
 綜上所述，在處理電磁流量計中主要的干擾信號一一正交干擾信號時，有著不同的方法，在選取何種降噪方式的問題上，主要還需考慮流體的物理介質、器件的工作環境、所需數據的精準程度、整體的器件要求等因素。此外，對正交干擾信號的處理，不論哪種措施，都存在著不同類型、不同程度的缺陷，所以，辯證、科學地選取降噪方式才是最可取的。
參考文獻：
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